Евклидова геометрия — раздел математики, описывающий формы и пространственные отношения между объектами в двумерных (2D) и трехмерных (3D) условиях. Правила евклидовой геометрии направляют наше понимание мира и всего, что его населяет.

Исследователи из Йельской школы медицины недавно провели эксперименты с грызунами, чтобы понять, как ранний опыт изучения евклидовой геометрии вскоре после рождения влияет на развитие и организацию клеточных ансамблей в гиппокампе — области мозга, критически важной для пространственного представления, навигации и памяти.

Их последние результаты, опубликованные в журнале Nature Communications , свидетельствуют о том, что ранний жизненный опыт взаимодействия с евклидовым пространством значительно обогащает нейронные паттерны в гиппокампе грызунов, позволяя грызунам лучше различать различные линейные среды.

«Мы хотели понять конкретную роль, которую играет пространственный опыт в раннем постнатальном развитии, с одной стороны, и врожденные, генетически обусловленные факторы, с другой стороны, в возникновении нейронных ансамблевых последовательных паттернов активности, критически важных для пространственного представления и формирования эпизодической памяти в гиппокампе», — рассказал в интервью Medical Xpress Джордж Драгой, старший автор статьи и доцент Йельской школы медицины.

«Мы рассматривали это взаимодействие между врожденными факторами и опытом животных как классическую проблему противопоставления природы и воспитания в биологии».

В одной из своих предыдущих работ Драгой и его коллеги из Йельского университета выделили трехэтапный процесс, который формирует развитие нейронных паттернов, наблюдаемых в гиппокампе грызунов на третьей и четвертой неделе после их рождения.

Они обнаружили, что предварительная конфигурация сети для последовательного кодирования в гиппокампе появилась на 17-й день после рождения грызуна (т. е. P17), в то время как формирование паттернов пластичности нейронной сети, характерных для взрослых особей, произошло на 24-й день (т. е. P24).

«Интересно, что P24 — это также первый день, когда крысы могут формировать долговременные воспоминания, так как до этого у них наблюдалась нормальная форма нарушения долговременной памяти, называемая инфантильной амнезией, которая представляет собой отсутствие способности формировать воспоминания в первые постнатальные дни, которые можно было бы вспомнить во взрослом возрасте», — сказал Драгой.

«Однако в нашем предыдущем эксперименте конкретные роли природы и природы не могли быть разделены, отчасти потому, что все наши крысы содержались в кубических клетках».

Исследователи обнаружили, что геометрия клеток, в которых молодые крысы содержались в предыдущих экспериментах, могла неявно позволить им испытать евклидовы геометрические линейности, плоские поверхности, углы и вертикальные стены. Это воздействие геометрии могло, в свою очередь, способствовать возникновению предварительно настроенных последовательных моделей сетевой активности, тем самым повлияв на результат эксперимента команды.

«Чтобы преодолеть ограничения нашего предыдущего эксперимента, мы выращивали группу крыс в неевклидовых сферических средах с рождения, тем самым лишая их любого опыта с вышеуказанными особенностями евклидовой геометрии (только природа, лишенная группа), и исследовали развитие предварительно настроенных и пластичных последовательных нейронных паттернов в гиппокампе по сравнению с крысами, выращенными в евклидовых кубоидальных клетках (природа + воспитание, контрольная группа )», — объяснил Драгой.

Исследователи использовали электроэнцефалографию (ЭЭГ) для регистрации активности нейронных ансамблей в гиппокампе грызунов в двух экспериментальных группах, которые находились в сферических или кубовидных клетках соответственно.

Они собрали свои записи, начиная с P24 (то есть дня, когда ранее было обнаружено, что активность сети становится похожей на активность взрослых особей), когда крысы исследовали различные линейные пути в течение четырех дней, спав между своими исследованиями.

«Нам было интересно, достигли ли депривированные крысы также стадии развития 3 предварительно настроенных и пластичных последовательных паттернов на П24», — сказал Драгой.

«Мы также попытались определить, чем крысы, подвергшиеся депривации, отличались от контрольной группы в плане первого представления евклидовой линейной геометрии, в различении множественных линейных сред и может ли опыт изучения евклидовой геометрии в течение четырех экспериментальных дней обратить вспять любые потенциальные изменения».

Новые эксперименты, проведенные Драгои и его коллегами, дали различные интересные результаты. Во-первых, команда наблюдала, что предварительно настроенные и пластичные последовательные сетевые паттерны активности возникают в гиппокампе даже у грызунов, которые не испытывали евклидову геометрию в первые недели после рождения.

Это говорит о том, что развитие этих последовательных клеточных комплексов гиппокампа у грызунов в первую очередь обусловлено врожденными факторами (т. е. природой), а не опытом (т. е. воспитанием).

«Мы также наблюдали, что депривированные крысы изначально не могут выражать отдельные представления начала и конца на линейной дорожке или трех отдельных линейных дорожках, что указывает на то, что природа обеспечивает общие представления линейных дорожек, в то время как прямой опыт геометрической линейности (т. е. воспитание) формирует репертуар сетевых паттернов, которые увеличивают емкость сети для отчетливого представления различных линейных характеристик и контекстов», — сказал Драгой.

«Примечательно, что эти различия между группами крыс исчезают после трех-четырех дней занятий с евклидовой геометрией».

Результаты этого исследования могут помочь лучше понять раннее развитие мозга, в частности гиппокампа, а также намекнуть на факторы, движущие этим развитием. Однако некоторые вопросы остаются без ответа, и Драгой и его коллеги надеются ответить на них в рамках своих следующих исследований.

«Поскольку сферы были сделаны из полупрозрачного (непрозрачного) материала, мы не могли отличить визуальное отсутствие опыта работы с евклидовой геометрией от невизуального», — добавил Драгой.

«Выращивание крыс внутри прозрачных сфер с доступом к визуальным образам евклидовой геометрии , но без прямого сенсомоторного опыта, было бы интересным последующим экспериментом. Во-вторых, лишение крыс чего-либо на значительно более длительное время может (или не может) привести к необратимым или только частично обратимым эффектам, и это также можно будет изучить в будущем».